JP7105425B2 - METHOD FOR MANUFACTURING METALLIC CNT WIRE AND METHOD FOR MANUFACTURING INSULATED METAL CNT WIRE - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンナノチューブ(以下「CNT」ともいう)ヤーンの内部にまで銅めっきを浸透させた金属CNT線とその製造方法、並びに絶縁被覆金属CNT線及び絶縁被覆金属CNT線の製造方法に関する。 The present invention relates to a metal CNT wire in which copper plating penetrates into carbon nanotube (hereinafter also referred to as "CNT") yarns, a method for producing the same, an insulation-coated metal CNT wire, and a method for producing an insulation-coated metal CNT wire.
従来の電線は金属を電子が伝わる導線として利用してきた。この原理は金属表面を自由電子が電圧差で拡散する伝導形態であり、その移動度は金属の種類によって抵抗差となって表れる。最も抵抗が低く電流が流れ易い金属は銀であるが、価格の観点や、酸化され難いこと、加工し易いこと等の理由から銅が最も良く利用されている。
しかしながら、表面を自由電子が拡散する原理を利用する導体は、自由電子が流れる事で、垂直方向に磁場が発生するため、必ず表皮効果が発生する。これはモーターなどのコイルにした場合、渦電流の発生や、ジュール熱の発生などを引き起こすため、エネルギー損失が起こる。
Traditional electric wires use metal as a conductor for electrons. This principle is a conduction mode in which free electrons diffuse on a metal surface due to a voltage difference, and the mobility appears as a resistance difference depending on the type of metal. Silver is the metal that has the lowest resistance and allows current to flow easily, but copper is most often used from the viewpoint of price, resistance to oxidation, ease of processing, and the like.
However, in a conductor that utilizes the principle of free electrons diffusing on the surface, the flow of free electrons generates a magnetic field in the vertical direction, which inevitably causes the skin effect. When this is used as a coil for a motor, it causes eddy currents and Joule heat, resulting in energy loss.
一方、炭素原子が共有結合するSP2結合の六角網目状のグラフェン構造を有するCNTについて見ると、夫々の電子は共有結合で拘束されているため原子間距離を越えて移動することはできないが、ある程度の存在確率の自由度があり、グラフェン自体はダイヤモンドのSP3結合のような3次元構造のようなものと異なり柔軟で、その電子は軌道範囲で動くことが出来る。このため、電子が受ける運動エネルギーは隣り合う電子に玉突き状態で運動を伝えることができ、グラフェンをチューブ状にしたCNTは軸方向に電子の運動をballisticに伝えることができ、金属の拡散的な伝導と異なる導体となる。 On the other hand, when looking at CNTs having an SP2-bonded hexagonal network graphene structure in which carbon atoms are covalently bonded, each electron cannot move beyond the interatomic distance because it is constrained by covalent bonds, but to some extent Graphene itself is flexible unlike three-dimensional structures such as SP3 bonds in diamond, and its electrons can move in a range of orbitals. For this reason, the kinetic energy received by an electron can transmit motion to adjacent electrons in a pile-up state, and a graphene tube-shaped CNT can transmit electron motion ballistically in the axial direction. It becomes a conductor different from conduction.
即ち、CNTからなる電線ができれば、これまでの電線による電子自体の移動による電気伝導とは異なり、六員環の共鳴のような状態変化で導通が起こるため、そのメカニズムが異なることから、エネルギー損失が少なく、伝達速度が速く、電子が移動する事で発生する垂直磁場の発生も起こり難く、高周波数の交番電流に因る表皮効果も低い。また、通常の金属の導体では電流密度の上昇でジュール熱により温度が上がり、電子の散乱が生じて、温度上昇に伴う抵抗の増加が起こるが、CNTヤーンでは温度による抵抗増加は起こり難いため抵抗の変化は生じ難い。 In other words, if an electric wire made of CNTs can be made, unlike the electric conduction that occurs due to the movement of the electrons themselves in conventional electric wires, conduction occurs due to a state change such as resonance of a six-membered ring. , the transmission speed is high, the vertical magnetic field generated by the movement of electrons is less likely to occur, and the skin effect caused by the high-frequency alternating current is low. In addition, in ordinary metal conductors, the temperature rises due to Joule heat due to the increase in current density, and electron scattering occurs, causing an increase in resistance as the temperature rises. change is unlikely to occur.
しかしながら、CNTはその1本の直径が数nm~数十nmと細く、長さは数μm~数百μmの長さであり、それを束ねたCNTヤーンでは、各CNTを接合する接合部の点数が多くなり、接合部では電子散乱が起こることから、CNTヤーン全体の総合抵抗は金属線の抵抗に比べて2ケタ抵抗が高くなり、CNT自体の特徴を生かせない事が課題であった。 However, a single CNT has a diameter of several nanometers to several tens of nanometers, and a length of several micrometers to several hundred micrometers. As the number of points increases and electron scattering occurs at the junction, the total resistance of the entire CNT yarn is double-digit higher than the resistance of the metal wire, and the problem is that the characteristics of the CNT itself cannot be utilized.
一般に、炭素と金属は濡れ性が悪く接続し難いものであり、炭素のみからなり反応基を全く持たないCNTに金属を付着させることは難しいと考えられる。ところがCNTの微細構造に着目すると、無欠陥のCNTの合成は未だ出来ておらず、またCNTの先端部は奇数環で閉じられる構造になっていて、こうした欠陥部分や先端部分は、CNTの精製分離時に酸や分散エネルギーで壊れてカルボン酸類が生じている。そのため、この酸素によりこれらの部分は負の電荷が帯電しており、CNTを電気めっきの負極として作用させることでめっきが可能であり、この欠陥部分や先端部分に金属が付着すれば電子移動の阻害要因を低減する事になる。つまりCNTの表面がめっきされた導体は電子の運動の玉突き方式と金属の持つ自由電子の拡散方式の組み合わさった新しい伝導形態の導体となり、軽量で、表皮効果の少ない、熱の影響が少ない導体が実現できる。 In general, carbon and metal have poor wettability and are difficult to connect to each other, and it is considered difficult to attach metal to CNT, which is composed only of carbon and has no reactive groups. However, when focusing on the microstructure of CNTs, defect-free CNTs have not yet been synthesized, and the tip of the CNT has a structure closed by odd-numbered rings. At the time of separation, it is broken down by acid or dispersive energy to produce carboxylic acids. Therefore, these parts are negatively charged by this oxygen, and the CNTs can be plated by acting as a negative electrode for electroplating. Inhibition factors will be reduced. In other words, the conductor plated on the surface of the CNT becomes a conductor with a new conduction mode that combines the electron movement pooling method and the free electron diffusion method of metal, and is lightweight, has little skin effect, and is less affected by heat. can be realized.
こうしたことからCNTに金属を付着させる技術に対する研究は行われており、例えば特許第5896422号公報(特許文献1)や、特許第6112639号公報(特許文献2)等には、CNTにめっきを施した技術が記載されている。 For this reason, research has been conducted on techniques for attaching metal to CNTs. technology is described.
しかしながら、CNTヤーンは、個々のCNTがファンデルワールス引力により強固に密着して線束を形成しており、上記公報にも言及されているように、その線束に対してめっきしたのではCNTヤーンの表面をめっきすることができてもCNTヤーンの内部にまではめっきが浸透することはなかった。 However, in CNT yarn, individual CNTs are strongly adhered by van der Waals attraction to form a wire bundle, and as mentioned in the above publication, plating on the wire bundle does not produce CNT yarn. Even if the surface could be plated, the plating did not penetrate into the inside of the CNT yarn.
また、上記公報に記載された金属被覆CNT線は、線束の内部にまで金属が浸透しているように見えるが、CNTヤーンにめっきしたものではなく、基板上に配向した個々に分離したCNTに対してめっきしたものであって、CNTどうしの間に空間を備えるものであり、そのためにCNT間の距離が増加し、ファンデルワールス引力による結合力が低下するものであると考えられる。 In addition, in the metal-coated CNT wire described in the above publication, the metal seems to penetrate into the inside of the wire bundle, but the CNT yarn is not plated, but the individually separated CNTs oriented on the substrate. On the other hand, the CNTs are plated and have spaces between them, which is thought to increase the distance between the CNTs and reduce the binding force due to van der Waals attraction.
本発明は、CNTを紡績して形成したCNTヤーンの内部にまで銅めっきが浸透した金属CNT線とその製造方法、及びこの金属CNT線に絶縁材を設けた絶縁被覆金属CNT線とその製造方法を提供するものである。 The present invention provides a metal CNT wire in which copper plating penetrates into the inside of a CNT yarn formed by spinning CNT, a method for manufacturing the same, and an insulation-coated metal CNT wire in which the metal CNT wire is provided with an insulating material, and a method for manufacturing the same. It provides
上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
[1]CNTヤーンに銅めっきが付着した金属CNT線であって、
前記CNTヤーンの内部にまで銅めっきが浸透しておりCNTヤーンの表面に付着した銅めっきと連接している金属CNT線である。
[2]前記CNTヤーンの直径Rに対して、そのCNTヤーンの表面に付着した前記銅めっきの膜厚がR/15~R/3であり、前記CNTヤーンの真比重がQCであるときに、金属CNT線の真比重QPが以下式(1)
7QC>QP>1.78QC・・・式(1)
で表される金属CNT線である。
[3]前記CNTヤーンは、平均直径が5~50nm、平均長さが10~100μmであるCNTが配向した紡績糸からなり、線径が30~50μm、長さが1~100m、真比重が1.8~2.0g/cm3である金属CNT線である。
[4]前記CNTヤーンは、ラマン分光法によるG/D比が0.5~10である金属CNT線である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
[1] A metal CNT wire in which a CNT yarn is plated with copper,
It is a metal CNT wire in which the copper plating penetrates into the inside of the CNT yarn and is connected to the copper plating adhered to the surface of the CNT yarn.
[2] When the film thickness of the copper plating attached to the surface of the CNT yarn is R/15 to R/3 with respect to the diameter R of the CNT yarn, and the true specific gravity of the CNT yarn is QC , the true specific gravity QP of the metal CNT wire is expressed by the following formula (1)
7QC>QP>1.78QC Expression (1)
It is a metal CNT wire represented by.
[3] The CNT yarn is a spun yarn in which CNTs are oriented and has an average diameter of 5 to 50 nm and an average length of 10 to 100 μm. It is a metallic CNT wire that is 1.8-2.0 g/cm 3 .
[4] The CNT yarn is a metallic CNT wire having a G/D ratio of 0.5 to 10 by Raman spectroscopy.
[5]CNTヤーンに銅めっきが付着した金属CNT線の製造方法であって、
前記CNTヤーンの表面に銅めっきが析出することを抑制する第1種添加剤と、前記CNTヤーンの内部に銅めっきが析出することを促進する第2種添加剤とを含有するめっき浴に前記CNTヤーンを浸漬してめっきを行い、前記CNTヤーンの内部にまでめっきを浸透させ、前記CNTヤーンの表面に付着した銅めっきと前記CNTヤーンの内部に浸透した銅めっきが連接している金属CNT線の製造方法である。
[6]前記第1種添加剤が、CNTヤーンの内部にまで銅めっきの浸透を促す浸透剤である金属CNT線の製造方法である。
[7]前記第1種添加剤が、めっき浴中においてカチオンとなり銅めっきが析出し易い部分への銅めっきの析出を抑制する阻害剤である金属CNT線の製造方法である。
[8]さらに、前記CNTヤーンを解きほぐそうとする緩和剤を第3種添加剤として含有する金属CNT線の製造方法である。
[5] A method for manufacturing a metal CNT wire in which a CNT yarn is plated with copper,
A plating bath containing a first additive that suppresses the deposition of copper plating on the surface of the CNT yarn and a second additive that promotes the deposition of copper plating inside the CNT yarn. A metal CNT in which the CNT yarn is immersed for plating, the plating penetrates into the inside of the CNT yarn, and the copper plating adhered to the surface of the CNT yarn and the copper plating penetrated inside the CNT yarn are connected. It is a manufacturing method of wire.
[6] A method for producing a metal CNT wire, wherein the first additive is a penetrant that promotes penetration of the copper plating into the inside of the CNT yarn.
[7] A method for producing a metal CNT wire, wherein the first additive becomes a cation in the plating bath and serves as an inhibitor for suppressing deposition of copper plating on areas where copper plating is likely to deposit.
[8] A method for producing a metallic CNT wire, further comprising, as a third additive, a relaxation agent for unraveling the CNT yarn.
[9]上記何れかの金属CNT線を絶縁材で被覆した絶縁被覆金属CNT線であって、
前記CNTヤーンの内部にまで前記銅めっきが浸透している金属CNT線を樹脂でなる絶縁材で被覆した絶縁被覆金属CNT線である。
[10]上記何れかの金属CNT線の製造方法で製造した金属CNT線に、樹脂でなる絶縁材で被覆する工程と、
前記金属CNT線に付着した前記銅めっきを前記CNTヤーン及び前記絶縁材に密着させる工程と、を実行する絶縁被覆金属CNT線の製造方法である。
[9] An insulation-coated metal CNT wire obtained by coating any of the above metal CNT wires with an insulating material,
It is an insulation-coated metal CNT wire in which the metal CNT wire in which the copper plating has permeated the inside of the CNT yarn is covered with an insulating material made of resin.
[10] A step of coating the metal CNT wire produced by any of the above methods for producing a metal CNT wire with an insulating material made of a resin;
a step of adhering the copper plating adhered to the metal CNT wire to the CNT yarn and the insulating material.
本発明によれば、金属CNT線の内部にまで銅めっきが浸透することで、内部まで浸透した銅めっきが機械的なアンカーとなり、CNTヤーン表面の銅めっきが剥離し難い金属CNT線とその製造方法を得ることができる。
また、本発明によれば、金属CNT線の内部にまで銅めっきが浸透することで、内部まで浸透した銅めっきが機械的なアンカーとなり、CNTヤーン表面の銅めっきが剥離し難い絶縁被覆金属CNT線とその製造方法を得ることができる
According to the present invention, since the copper plating penetrates into the inside of the metal CNT wire, the copper plating that has penetrated into the inside becomes a mechanical anchor, and the copper plating on the surface of the CNT yarn is difficult to peel off. You can get a way.
In addition, according to the present invention, since the copper plating penetrates into the inside of the metal CNT wire, the copper plating that has penetrated into the inside serves as a mechanical anchor, and the copper plating on the surface of the CNT yarn is difficult to peel off. You can get the wire and how to make it
実施形態に基づいて本発明をさらに説明する。これらの各実施形態において共通する構成、材料、製造方法、効果等については重複説明を省略する。 The present invention will be further described based on embodiments. Duplicate descriptions of configurations, materials, manufacturing methods, effects, and the like that are common to these embodiments will be omitted.
<第1実施形態>:
本発明の第1実施形態としての金属CNT線について説明する。金属CNT線10は図1の模式図で示すように、CNTヤーン11に銅めっき12が付着したものであり、CNTヤーン11の内部にまで銅めっき12が浸透したものである。CNTヤーン11は複数のCNT13を紡績したものである。以下にこの金属CNT線10の構成について説明する。
<First Embodiment>:
A metal CNT wire as a first embodiment of the present invention will be described. As shown in the schematic diagram of FIG. 1, the
CNTヤーン:
CNTはその直径が0.3~100nm程度であり、その長さも数μm~数百μmであるため、CNTの機械的、物理的な特徴を利用するためにはまとまった大きさにする必要があり、CNTを紡績してCNTヤーンとすることがその一つの利用形態である。
CNT yarn:
CNTs have a diameter of about 0.3 to 100 nm and a length of several μm to several hundreds of μm. Therefore, in order to utilize the mechanical and physical characteristics of CNTs, it is necessary to make them large enough. One form of utilization is to spin CNTs into CNT yarns.
CNTをCNTヤーンとするには、生成されたCNTを引き出す際に、引き出された方向に配向しながら個々のCNTどうしの引力で引き合い糸状となった連続体が得られるので、これを巻き取ることでCNTヤーンを得ることができる。 In order to make the CNT into a CNT yarn, when the generated CNTs are pulled out, a continuum is obtained in which the CNTs are oriented in the direction in which they are pulled out and attracted by the attractive force of the individual CNTs to form a filament-like continuum. CNT yarn can be obtained at
CNT:
さて、個々のCNTは、その構造上、単層CNT(SWCNT)や多層CNT(MWCNT)があり、多層CNTは3層以上のものも知られている。CNTヤーンとするには、これらの何れのCNTを用いることもできるが、導電率が高いCNT線にするには、金属型単層CNTを分離捕集したものが一般には好ましいと考えられる。しかしながら、この場合の単層CNTの密着密度は増すものの、単層CNT間の電気的な接合を銅めっきで改善することはできないため、抵抗が大きくなる。また、この構造では単層CNTが互いに接続する部分の内部にまでめっき液が入らないことが考えられる。そのため、単層CNTよりは多層CNTを用いた方が好ましい。
CNTs:
Individual CNTs are categorized into single-walled CNTs (SWCNTs) and multi-layered CNTs (MWCNTs), and multi-layered CNTs having three or more layers are also known. Any of these CNTs can be used to form a CNT yarn, but in order to form a CNT wire with high conductivity, it is generally considered preferable to separate and collect metallic single-walled CNTs. However, although the adhesion density of the single-layer CNTs increases in this case, the electrical connection between the single-layer CNTs cannot be improved by copper plating, so the resistance increases. Also, in this structure, it is conceivable that the plating solution does not enter the inside of the portion where the single-walled CNTs are connected to each other. Therefore, it is preferable to use multilayer CNTs rather than single-wall CNTs.
CNTヤーンを構成する個々のCNTは、上記の大きさを有するものであるが、平均直径では1~70nmが好ましく、5~50nmであることがより好ましい。CNTの長さは、上記長さが一般的だが、5μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましい。CNTの平均長さが5μmより短ければ、個々のCNTの端部どうしの数が増えるからである。また、CNTの平均長さが10μm以上であれば、こうした端部どうしをつなぐ金属からなる部分の数が減るからであり、100μm以下であれば利用が容易である。
CNTの平均直径や平均長さは、透過型電子顕微鏡を用いて任意に選択した複数のCNTの直径や長さを平均することで求められる。
The individual CNTs constituting the CNT yarn have the above size, but the average diameter is preferably 1 to 70 nm, more preferably 5 to 50 nm. The length of the CNT is generally the above length, preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more. This is because if the average length of CNTs is shorter than 5 μm, the number of ends of individual CNTs increases. In addition, if the average length of the CNT is 10 μm or more, the number of portions made of metal connecting the ends is reduced, and if it is 100 μm or less, utilization is easy.
The average diameter and length of CNTs can be obtained by averaging the diameters and lengths of a plurality of arbitrarily selected CNTs using a transmission electron microscope.
複数のCNTの集合体としては、直線状のものだけでなく、曲線状、又は配向のない凝集体であることがあり得るが、本発明では配向性の全くないCNTの無定形なかたまりは除かれ、複数のCNTが一定の配向性をもって配置され線束を形成したものが用いられる。CNTヤーンでは、通常は複数のCNTどうしが配向状態でファンデルワールス引力によってまとまりを形成しているが、銅めっきの浸透を完全に阻害するものでなければ個々のCNTどうしの間に分散剤やバインダー等のCNTや金属以外の物質が含まれているものであっても良い。 Aggregates of a plurality of CNTs can be not only linear but also curved or non-oriented aggregates. Instead, a plurality of CNTs arranged with a certain orientation to form a bundle is used. In CNT yarns, a plurality of CNTs are usually oriented and form bundles due to van der Waals attraction. It may contain substances other than CNTs and metals, such as binders.
個々のCNTの集合体としてのCNTヤーンは、その直径(線径)が20μm~70μm、好ましくは25μm~60μm、より好ましくは30~50μmである。20μmより細いと実用的な電線等として利用するためには何本もまとめて撚り線とする必要がありその手間がかかるからである。一方、70μmよりも大きくなると、内部への銅めっきの浸透が不十分になるおそれがあるからである。 A CNT yarn as an aggregate of individual CNTs has a diameter (wire diameter) of 20 μm to 70 μm, preferably 25 μm to 60 μm, more preferably 30 to 50 μm. This is because if the wire is thinner than 20 μm, it is necessary to bundle a number of wires into a stranded wire in order to use it as a practical electric wire or the like, which takes time and effort. On the other hand, if it is larger than 70 μm, there is a possibility that penetration of the copper plating into the inside may be insufficient.
CNTヤーンの長さは、所望の用途に応じて好ましい長さとすることができ、例えば、モーターなどに用いられるコイルとして使用する場合には、例えば1~100mとすることができるが、1mよりも短くすることはもちろん可能であり、また、必要であれば100mを超える長さとしても良い。
また、CNTヤーンの真比重は、1.8~2.0g/cm3であることが好ましい。CNTヤーンの真比重が2.0g/cm3を超えると、密度が高くなり銅めっきがCNTヤーン内部に浸透し難くなり、1.8g/cm3よりも低いと抵抗値が高くなり易い。
The length of the CNT yarn can be a preferred length depending on the desired application, for example, when used as a coil for use in a motor or the like, it can be, for example, 1 to 100 m, but is longer than 1 m. Shorter lengths are of course possible, and lengths greater than 100 m may be used if desired.
Moreover, the true specific gravity of the CNT yarn is preferably 1.8 to 2.0 g/cm 3 . When the true specific gravity of the CNT yarn exceeds 2.0 g/cm 3 , the density becomes high , making it difficult for the copper plating to penetrate inside the CNT yarn.
CNTヤーンは、より細い複数のCNTヤーンを束ねたものであっても良いが単線の方が好ましい。より細い複数のCNTヤーンを束ねたものは通常、それらを撚り線としてまとめるためで、撚り線とすることにより銅めっきの浸透が妨げられるおそれがあるからである。 The CNT yarn may be a bundle of a plurality of thinner CNT yarns, but a single wire is preferred. This is because bundles of a plurality of thinner CNT yarns are usually bundled together as a stranded wire, and the stranded wire may hinder the permeation of the copper plating.
ところで、CNTヤーンに一般的なめっきを施したのでは図2の模式図で示すように、CNTヤーンの表面にめっき層を形成することはできてもCNTヤーンの内部にまでは銅めっきが浸透せず、CNTヤーンの内部にまで金属を付着することはできなかった。
その理由は次のとおりである。通常のめっきでは、尖った部分、即ち、表面に凹凸があれば凸部にめっきが付着する。そうした一方で凹部にはめっきが付き難い。そのため、CNTヤーンの表面には凸部があるからめっきが付き易いが、CNTヤーンの内部は凹部に相当するためめっきは入って行き難い。その結果、CNTヤーンの表面にはめっきができても、CNTヤーンの内部にまではめっきが浸透しなかった。
By the way, if the CNT yarn is plated in general, as shown in the schematic diagram of FIG. Therefore, it was not possible to attach the metal to the inside of the CNT yarn.
The reason is as follows. In normal plating, the plating adheres to sharp portions, ie, convex portions if the surface has irregularities. On the other hand, it is difficult for plating to adhere to the concave portions. Therefore, since the surface of the CNT yarn has projections, it is easy to be plated, but the inside of the CNT yarn corresponds to the recesses, so it is difficult for the plating to enter. As a result, even though the surface of the CNT yarn was plated, the plating did not penetrate into the inside of the CNT yarn.
そこで、CNTヤーンの内部にまでめっきが付くように、電気銅めっきに用いるめっき浴について工夫し調製した。即ち、CNTヤーンの表面に銅めっきが析出することを抑制し、CNTヤーンの内部に銅めっきが析出することを促進するようにした。こうした作用を達成するためCNTヤーンの表面に銅めっきが析出することを抑制する第1種添加剤と、CNTヤーンの内部に銅めっきが析出することを促進する第2種添加剤とをめっき浴に加えている。 Therefore, the plating bath used for electrolytic copper plating was devised and prepared so that the inside of the CNT yarn was plated. That is, the deposition of copper plating on the surface of the CNT yarn is suppressed, and the deposition of copper plating inside the CNT yarn is promoted. In order to achieve these effects, a first additive that suppresses the deposition of copper plating on the surface of the CNT yarn and a second additive that promotes the deposition of copper plating inside the CNT yarn are added to the plating bath. In addition to
上記めっき浴の一例として、より具体的には、銅イオン供給源と硫酸等の酸成分を含んだ電気銅めっき浴に各種添加剤を含んだめっき浴が挙げられる。次にはこのめっき浴に含まれる成分について説明する。 As an example of the plating bath, more specifically, there is a plating bath containing various additives in an electrolytic copper plating bath containing a copper ion supply source and an acid component such as sulfuric acid. Next, the components contained in this plating bath will be explained.
銅イオン供給源:
銅イオン供給源としては水溶性銅塩が挙げられ、例えば硫酸銅や塩化銅、酸化銅、メタンスルホン酸銅、エタンスルホン酸銅、ピロリン酸銅、プロパン酸銅、イセチオン酸銅、炭酸銅、酢酸銅等の銅塩が挙げられる。これらの銅塩は、1種又は2種以上を混合して用いることができる。めっき浴中における銅イオン供給源の濃度は、硫酸銅の場合で50~300g/L、好ましくは65~250g/Lである。
Copper ion source:
Sources of copper ions include water-soluble copper salts, such as copper sulfate, copper chloride, copper oxide, copper methanesulfonate, copper ethanesulfonate, copper pyrophosphate, copper propanoate, copper isethionate, copper carbonate, and acetic acid. Copper salts, such as copper, are mentioned. These copper salts can be used singly or in combination of two or more. The concentration of the copper ion source in the plating bath is 50-300 g/L, preferably 65-250 g/L for copper sulfate.
酸成分:
酸成分はめっき浴を酸性にする機能があり硫酸等の無機酸を用いることができる。硫酸であれば水に溶けることから、溶媒として水を使える点で好ましい。場合により、無機酸に限らず、アルカンスルホン酸やアルカノールスルホン酸等の有機酸を用いることもできる。酸成分を用いるめっき浴に対してアルカリ性のめっき浴を用いる場合は、成膜速度が遅く、まためっき膜に水酸化物が形成されることからめっき膜の特性が劣るという問題がある。酸成分の濃度は、10~400g/L程度とすることができ、好ましくは20~300g/L、より好ましくは30~220g/Lとすることができる。
Acid component:
The acid component has the function of acidifying the plating bath, and an inorganic acid such as sulfuric acid can be used. Since sulfuric acid is soluble in water, it is preferable in that water can be used as the solvent. In some cases, organic acids such as alkanesulfonic acid and alkanolsulfonic acid can also be used in addition to inorganic acids. When an alkaline plating bath is used as opposed to a plating bath that uses an acid component, there is a problem that the film formation rate is slow and the properties of the plating film are inferior because hydroxide is formed in the plating film. The concentration of the acid component can be about 10-400 g/L, preferably 20-300 g/L, and more preferably 30-220 g/L.
第1種添加剤:
CNTヤーンの表面に銅めっきが析出することを抑制する第1種添加剤としては、CNTとの親和性に優れCNTヤーンの内部にまでめっきの浸透を促す浸透剤が挙げられる。
浸透剤には、ポリエチレングリコール(PEG)や、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリオキシアルキレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンドデシルエーテル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンブロック共重合体等、各種のコポリマーや誘導体、界面活性剤等のポリエーテル化合物と、塩化ナトリウムや、塩化カリウム、塩酸等の塩化物イオン生成物と、を組合わせたものが挙げられる。
First class additive:
Examples of the first-class additive that suppresses the deposition of copper plating on the surface of the CNT yarn include a penetrating agent that has excellent affinity with CNT and promotes penetration of the plating into the inside of the CNT yarn.
Penetrants include polyethylene glycol (PEG), polypropylene glycol, polyethylene oxide, polyoxyalkylene glycol, polytetramethylene glycol, polyoxyethylene oleyl ether, polyoxyethylene stearyl ether, polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene dodecyl. Various copolymers and derivatives such as ether, polyoxyethylene nonylphenyl ether, polyoxyethylene octylphenyl ether, polyoxyethylene/polyoxypropylene block copolymer, polyether compounds such as surfactants, sodium chloride, chloride and chloride ion products such as potassium and hydrochloric acid.
ポリエーテル化合物は、CNTとの親和性に優れCNTヤーンの内部にまで浸透し易いためCNTヤーンの内部に金属粒子を行き渡らせ易くなり、まためっきの核成長を抑制する効果もあると考えられる。なお、ポリエチレングリコールを用いる場合はその重量平均分子量が200~3000のものを用いることができ、それ以外のポリエーテル化合物も300~20000のものを用いることができ、500~10000が好ましく、500~5000、又は500~4000がより好ましい。こうしたポリエーテル化合物の濃度は、0.01~10g/L程度とすることができ、0.03~5g/Lとすることが好ましく、0.05~1g/Lとすることがより好ましい。 The polyether compound has excellent affinity with CNTs and easily permeates into the inside of the CNT yarns, so it is believed that the metal particles can easily spread inside the CNT yarns and also have the effect of suppressing the growth of plating nuclei. When polyethylene glycol is used, one having a weight average molecular weight of 200 to 3000 can be used, and other polyether compounds can also be used having a weight average molecular weight of 300 to 20000, preferably 500 to 10000, and 500 to 5000, or 500-4000 is more preferable. The concentration of such a polyether compound can be about 0.01 to 10 g/L, preferably 0.03 to 5 g/L, more preferably 0.05 to 1 g/L.
塩酸等の塩化物イオン生成物は、塩化物イオンをめっき浴中に生成することで銅イオンの生成数を抑制する。塩化物イオン生成物から発生する塩化物イオン濃度は、2~150mg/Lとすることができ、5~100mg/Lとすることが好ましく、20~80mg/Lとすることがより好ましい。塩化物イオン生成物から発生する塩化物イオン濃度が150mg/Lを超えると、アノード表面へ塩化銅が析出してアノードの不動態化が生じるおそれがある。2mg/Lより少ないと、部分的な抑制作用でめっきむらを生じるおそれがある。塩化物イオン濃度は、塩酸や塩化ナトリウム等を用いることで調整できる。
Chloride ion products such as hydrochloric acid suppress the number of copper ions produced by producing chloride ions in the plating bath. The chloride ion concentration generated from the chloride ion product can be 2 to 150 mg/L, preferably 5 to 100 mg/L, more preferably 20 to 80 mg/L. If the concentration of chloride ions generated from the chloride ion product exceeds 150 mg/L, copper chloride may deposit on the surface of the anode, resulting in passivation of the anode. If it is less than 2 mg/L, there is a possibility that uneven plating may occur due to a partial suppression effect. The chloride ion concentration can be adjusted by using hydrochloric acid, sodium chloride, or the like.
CNTヤーンの表面に銅めっきが析出することを抑制する第1種添加剤としては、上記のものに加えて、又は上記のものとは別に、めっき浴中においてカチオンとなりめっきが析出し易い角や先端部分に集中することでそうした部分への銅の析出を抑制する阻害剤が挙げられる。 As the first-class additive that suppresses the deposition of copper plating on the surface of the CNT yarn, in addition to the above-mentioned additives, or apart from the above-mentioned additives, there are corners and corners that become cations in the plating bath and are likely to deposit plating. Inhibitors that suppress the deposition of copper on the tip portion by concentrating on the tip portion are exemplified.
上記阻害剤としては、ポリアルキレンイミン、ビニルピロリドン、ポリアクリル酸アミド、ジアリルジメチルアンモニウムクロリド・アクリルアミド共重合体、ジエチレントリアミン、フェナジン化合物、Janus Green Bなどの染料等の含窒素有機化合物が挙げられる。これらのうち、Janus Green B等の染料は、単なる阻害剤としての機能だけでなく、めっき浴の撹拌作用とも関連し、3,3’ジチオビス(1-プロパンスルホン酸)二ナトリウム(SPS)等の硫黄化合物が行き渡るようにする機能も発揮する点で好ましい。 Examples of the inhibitor include nitrogen-containing organic compounds such as polyalkyleneimine, vinylpyrrolidone, polyacrylic acid amide, diallyldimethylammonium chloride-acrylamide copolymer, diethylenetriamine, phenazine compounds, and dyes such as Janus Green B. Among them, dyes such as Janus Green B not only function as mere inhibitors, but also are related to the agitation action of the plating bath. It is preferable in that it also exhibits the function of spreading sulfur compounds.
めっき浴中に含まれる阻害剤の濃度は、0.005~10000mg/Lとすることができ、0.01~5000mg/Lであることが好ましく、0.05~2000mg/Lであることがより好ましい。上記濃度が0.005mg/Lを下回るとCNTヤーン表面への過剰なめっき析出が生じ、CNTヤーン内部への銅めっきの浸透が図れない。また、10000mg/Lを超えるとCNTヤーン内部においても銅めっきの付着抑制効果が働きCNTヤーン内部への銅めっきの付着がはかれない。 The concentration of the inhibitor contained in the plating bath can be 0.005 to 10000 mg/L, preferably 0.01 to 5000 mg/L, more preferably 0.05 to 2000 mg/L. preferable. If the above concentration is less than 0.005 mg/L, excessive plating deposition occurs on the surface of the CNT yarn, making it impossible for the copper plating to penetrate into the inside of the CNT yarn. Further, when the concentration exceeds 10000 mg/L, the effect of suppressing the adhesion of copper plating to the inside of the CNT yarns works and the adhesion of the copper plating to the inside of the CNT yarns cannot be removed.
第1種添加剤のうち、浸透剤と阻害剤は共に第1種添加剤としての目的で用いることからその何れか一方を用いることができるが、両者の機能が異なることから、どちらか一方だけを用いるよりは両者ともに用いることが好ましい。 Among the first-class additives, both the penetrant and the inhibitor are used for the purpose of being the first-class additive, so either one of them can be used. It is preferable to use both rather than using .
第2種添加剤:
CNTヤーンの内部に銅めっきが析出することを促進させる第2種添加剤は、銅めっきの成長核を好適に発生させるもので、第1種添加剤がCNTヤーンの表面へのめっき付着を制限し、CNTヤーン内部へのめっき液の浸透を促進させながら、第2種添加剤がCNTヤーン内部で効果的に機能することで、CNTヤーン内部への十分なめっきの浸透が起こるものと考えられる。
Second class additive:
The second-class additive, which promotes the deposition of copper plating inside the CNT yarn, favorably generates growth nuclei for copper plating, and the first-class additive limits plating adhesion to the surface of the CNT yarn. However, it is thought that sufficient penetration of the plating into the CNT yarn occurs because the second type additive functions effectively inside the CNT yarn while promoting the penetration of the plating solution into the CNT yarn. .
こうした第2種添加剤には、3,3’ジチオビス(1-プロパンスルホン酸)二ナトリウム(SPS)、3-メルカプトプロパンスルホン酸やその塩、bis(3-sulfopropyl)disulfideやその塩、N,N-ジメチルジチオカルバミン酸(3-スルホプロピル)エステルやその塩等の硫黄化合物を挙げることができる。
めっき浴中の第2種添加剤の濃度としては、0.01~200mg/Lとすることができ、0.05~100mg/Lとすることが好ましく、0.1~30mg/Lとすることがより好ましい。
Such second-class additives include 3,3′ dithiobis(1-propanesulfonic acid) disodium (SPS), 3-mercaptopropanesulfonic acid and its salts, bis(3-sulfopropyl) disulfide and its salts, N, Examples include sulfur compounds such as N-dimethyldithiocarbamic acid (3-sulfopropyl) ester and salts thereof.
The concentration of the second additive in the plating bath can be 0.01 to 200 mg/L, preferably 0.05 to 100 mg/L, and 0.1 to 30 mg/L. is more preferred.
第3種添加剤:
上記めっき浴には、CNTヤーンを解きほぐそうとする機能を有する緩和剤を含めることができる。緩和剤の添加によりCNTヤーンを解きほぐすことはできずとも銅めっきがCNTヤーンの内部にまで浸透しようとする作用を助ける。
緩和剤としては、デオキシコール酸ナトリウム(DOC)やドデシル硫酸ナトリウム(SDS)、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム(SDBS)、ポリアクリル酸(PAA)、トリメチルステアリルアンモニウムクロリド(STAC)、カチオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤が例示できる。めっき浴中に含まれる緩和剤の濃度は、1×10-4~50×10-4mol/dm3とすることが好ましい。
Third class additive:
The plating bath may contain a relaxation agent that has the function of tending to unravel the CNT yarns. Addition of a relaxation agent helps the penetration of the copper plating into the inside of the CNT yarn, even if the CNT yarn cannot be loosened.
Relaxing agents include sodium deoxycholate (DOC), sodium dodecyl sulfate (SDS), sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS), polyacrylic acid (PAA), trimethylstearyl ammonium chloride (STAC), cationic surfactants, Nonionic surfactants can be exemplified. The concentration of the relaxation agent contained in the plating bath is preferably 1×10 −4 to 50×10 −4 mol/dm 3 .
カチオン系界面活性剤としては、塩化セチルトリメチルアンモニウム、臭化セチルトリメチルアンモニウム、塩化セチルピリジニウム等が挙げられる。
ノニオン系界面活性剤としては、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンドデシルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンブロックポリマー、ポリオキシエチレンアルキルアミン、アルキルポリグルコシド、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、プロピレングリコール脂肪酸エステル等が挙げられる。
Cationic surfactants include cetyltrimethylammonium chloride, cetyltrimethylammonium bromide, cetylpyridinium chloride and the like.
Nonionic surfactants include polyacrylic acid, polyethylene glycol, polyoxyethylene nonylphenyl ether, polyoxyethylene dodecyl ether, polyoxyethylene octylphenyl ether, polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene fatty acid ester, polyoxyethylene Polyoxypropylene block polymers, polyoxyethylene alkylamines, alkylpolyglucosides, glycerin fatty acid esters, sorbitan fatty acid esters, sucrose fatty acid esters, propylene glycol fatty acid esters, and the like.
めっき液には、本発明の効果を損なわない範囲で、銅以外の金属イオン発生源、溶解補助剤、界面活性剤、光沢剤、負極用結着材等の上記以外の成分を含有させることができる。 The plating solution may contain components other than the above, such as a metal ion generating source other than copper, a dissolution aid, a surfactant, a brightener, and a binder for a negative electrode, within a range that does not impair the effects of the present invention. can.
めっき処理の条件:
めっき処理の条件としては次の条件を挙げることができる。めっき処理の通電量は、CNTヤーンの太さや長さ、CNTヤーンの種類に応じて適宜調整するが、陰極電流密度としては0.05~5A/dm2とすることができ、0.2~4A/dm2とすることが好ましく、0.5~3A/dm2とすることがより好ましい。また、直流めっき法に限らず、電流反転めっき法やパルスめっき法を用いることができる。陽極には銅板等の可溶性アノードに限られず、不溶性アノードとしても良い。めっき浴の攪拌については、エアレーション法や噴流法等の空気攪拌法、スターラーや、カソードロッカーによる機械攪拌法を用いることができる。めっき温度は15~35℃とすることができ、20~30℃とすることが好ましく、22~28℃とすることがより好ましい。
Plating conditions:
The conditions for the plating treatment include the following conditions. The amount of energization in the plating process is appropriately adjusted according to the thickness and length of the CNT yarn and the type of CNT yarn. It is preferably 4 A/dm 2 , more preferably 0.5 to 3 A/dm 2 . In addition, current reversal plating or pulse plating can be used instead of direct current plating. The anode is not limited to a soluble anode such as a copper plate, and may be an insoluble anode. For agitation of the plating bath, an air agitation method such as an aeration method or a jet method, or a mechanical agitation method using a stirrer or a cathode rocker can be used. The plating temperature can be 15 to 35°C, preferably 20 to 30°C, more preferably 22 to 28°C.
前処理:
めっき処理の前処理については、CNTヤーン以外の通常の電気めっきの被着体に施す前処理を行うことができ、めっき液へのCNTヤーンの事前浸漬等のめっき液のCNTヤーンへの浸透性向上処理や、界面活性剤系処理液へのCNTヤーンの浸漬等のCNTヤーンの濡れ性向上処理、アルコール等による汚れ除去処理、トリクロロエチレン等による脱脂処理を行うことは好ましい。
Preprocessing:
As for the pretreatment of the plating treatment, it is possible to perform a pretreatment applied to a normal electroplating adherend other than the CNT yarn. It is preferable to perform an improvement treatment, a wettability improvement treatment of the CNT yarn such as immersing the CNT yarn in a surfactant-based treatment liquid, a stain removal treatment with alcohol or the like, and a degreasing treatment with trichlorethylene or the like.
めっき処理の方法:
めっき処理の一方法として次のようにめっき処理装置を構成できる。CNTヤーンを陰極とし、銅板等の純銅材又は含燐銅材等を陽極としてめっき浴中に浸漬する。陽極となる銅板等は陰極となるCNTヤーンの両側に置くことでCNTヤーンの両側からCNTヤーンにめっきを付着させることができる。また、CNTヤーンの周囲に複数の銅板等を配置するようにすれば、CNTヤーン表面のあらゆる方向からめっきを付着させることができるのでより好ましい。
Plating method:
As one method of plating, a plating apparatus can be configured as follows. A CNT yarn is used as a cathode, and a pure copper material such as a copper plate or a phosphorus-containing copper material is used as an anode and immersed in a plating bath. By placing a copper plate or the like serving as an anode on both sides of the CNT yarn serving as a cathode, plating can be applied to the CNT yarn from both sides of the CNT yarn. Further, it is more preferable to arrange a plurality of copper plates or the like around the CNT yarn, since the plating can be adhered from all directions on the surface of the CNT yarn.
CNTヤーンの長さは長く、通常のバッチ処理とすることもできるが連続処理を行うことが好ましい。めっき浴内で、陽極と対向させてCNTヤーンが配置されるようにして、CNTヤーン及び陽極の長さ方向にCNTヤーンを移動するようにしてめっきを施す。めっきを施す部位が陽極と対向し始めてから対向状態を脱するまでをめっき処理時間として、そのめっき処理時間を10~40分とすることで連続処理が可能となる。そして、こうした連続めっき処理を行うには、陽極の長さとCNTヤーンの移動速度(送り速度又は引張速度)が関係し、陽極の長さを40~500cmとして、CNTヤーンの移動速度を1~50cm/分とすることが好ましい。 The length of the CNT yarn is long, and it is preferable to carry out continuous processing, although normal batch processing can be performed. Plating is performed by moving the CNT yarn in the length direction of the CNT yarn and the anode so that the CNT yarn is arranged in the plating bath so as to face the anode. Continuous treatment is possible by setting the plating time to 10 to 40 minutes from when the portion to be plated begins to face the anode until it leaves the facing state. In order to perform such continuous plating treatment, the length of the anode and the moving speed of the CNT yarn (feeding speed or pulling speed) are related. / min.
得られた金属CNT線の特徴:
得られた金属CNT線は、その表面状態を観察すると、第1種添加剤が表面での銅めっきの成長を抑制するためか銅めっきが大きく析出した箇所はなく、その表面が緻密であり細かな凹凸があるように見える。
また、その真比重は、CNTヤーンの直径Rに対して表面に付着した銅めっきの膜厚がR/15~R/3である場合に、CNTヤーンの真比重をQCとすると、金属CNT線の真比重QPは以下の式(1)の範囲にある。
7QC>QP>1.78QC・・・式(1)
Characteristics of the obtained metallic CNT wire:
Observation of the surface state of the obtained metal CNT wire revealed that there were no areas where the copper plating was greatly deposited, probably because the first additive inhibited the growth of copper plating on the surface, and the surface was dense and fine. It looks like there is unevenness.
In addition, the true specific gravity of the CNT yarn is, when the film thickness of the copper plating attached to the surface is R/15 to R/3 with respect to the diameter R of the CNT yarn, and the true specific gravity of the CNT yarn is QC, the metal CNT wire The true specific gravity QP of is in the range of the following formula (1).
7QC>QP>1.78QC Expression (1)
銅の比重はCNTヤーンの真比重の4.5~4.7倍であり、CNTヤーンの直径Rに対して銅めっきの膜厚がR/15のときに、CNTヤーン内に浸透する銅めっきがないとすれば、その金属CNT線の真比重はCNTヤーンの少なくとも1.78倍となる。一方で、金属CNT線の真比重はその全部が銅から構成されると仮定した場合の真比重を超えることはない。そこで、QPは、1.78QCより大きく、7QCより小さくなる。 The specific gravity of copper is 4.5 to 4.7 times the true specific gravity of the CNT yarn. , the true specific gravity of the metallic CNT wire would be at least 1.78 times that of the CNT yarn. On the other hand, the true specific gravity of the metal CNT wire does not exceed the true specific gravity when it is assumed that the wire is entirely composed of copper. So QP is greater than 1.78 QC and less than 7 QC.
CNTの特性の一側面はラマン分光分析によるG/D比で特定することができる。G/D比は、1560cm-1~1620cm-1範囲内に見られるGバンドと、1300cm-1~1400cm-1範囲内に見られるDバンドの高さ比を表したものである。Gバンドは、グラファイトに由来し、Dバンドは、アモルファスカーボンやグラファイトの欠陥に由来するといわれ、G/D比が高いほどグラファイト化度が高く、高品質であるとされている。一般に市販のCNTのG/D比は、ラマン分光法で使用できるレーザー波長のうち532nmを利用したときに10~20とされており、高品質なCNTでは100以上というものも存在する。しかしながら、本発明で取り扱うめっき方法では高品質なCNTヤーンを選択する必要なく、G/D比で10~20となるCNTヤーンはもちろんのこと、G/D比が0.5~10、又は0.8~9、あるいはまた0.8~1.2という低い値を示すCNTヤーンであっても用いることができる。その理由は、CNTの欠陥部分や先端部分は、CNTの精製分離時に酸や分散エネルギーで壊れてカルボン酸類が生じ負の電荷が帯電しているため、これに銅めっきが付着し易いと考えられるからである。 One aspect of CNT properties can be identified by the G/D ratio determined by Raman spectroscopy. The G/D ratio represents the height ratio of the G band seen in the range of 1560 cm -1 to 1620 cm -1 and the D band seen in the range of 1300 cm -1 to 1400 cm -1 . The G band is said to be derived from graphite, and the D band is said to be derived from defects in amorphous carbon or graphite. In general, commercially available CNTs have a G/D ratio of 10 to 20 when using a laser wavelength of 532 nm that can be used in Raman spectroscopy, and some high-quality CNTs have a G/D ratio of 100 or more. However, in the plating method handled by the present invention, it is not necessary to select high-quality CNT yarns, not only CNT yarns with a G/D ratio of 10 to 20, but also Even CNT yarns with values as low as 0.8-9, or even 0.8-1.2 can be used. The reason for this is that the defective parts and tip parts of the CNTs are destroyed by acid and dispersion energy during the purification and separation of the CNTs, and carboxylic acids are generated and negatively charged. It is from.
<第2実施形態>:
絶縁被覆金属CNT線:
上記金属CNT線は、さらにその外周を絶縁材で被覆した絶縁被覆金属CNT線とすることができる。
絶縁材は絶縁性の樹脂から構成することができ、これらの樹脂には、低密度ポリエチレンや高密度ポリエチレン等のポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-酢酸ビニル共重合体、エチレン-エチルアクリレート共重合体、ポリビニルホルマール、エポキシ、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、オレフィン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、フッ素樹脂等を利用できる。
<Second embodiment>:
Insulation coated metal CNT wire:
The metal CNT wire can be an insulation-coated metal CNT wire whose outer circumference is further covered with an insulating material.
The insulating material can be composed of insulating resins, and these resins include polyethylene such as low-density polyethylene and high-density polyethylene, polypropylene, ethylene-vinyl acetate copolymer, ethylene-ethyl acrylate copolymer, polyvinyl Formal, epoxy, polyethylene terephthalate, polyester, polyesterimide, polyamideimide, polyimide, olefin resin, polyurethane resin, fluorine resin, and the like can be used.
絶縁材による被覆は液状樹脂を金属CNT線に塗布することにより行うが、通常は液状樹脂の中に金属CNT線を浸漬させる方法で被覆できる。液状樹脂の固化過程で収縮しガスが抜けるため乾燥被膜にピンホールが生じ易いため、塗布工程は複数回繰り返すことにより樹脂被膜が何層にも重なるように成膜することが好ましい。また、複数回塗布工程を繰り返す場合には、始めは液状樹脂の濃度を薄くし、後では液状樹脂の濃度を濃くすることが好ましい。始めに濃度を薄くするのは金属CNT線の表面に均一に樹脂を被覆させるためであり、後で濃度を濃くするのは樹脂層が既に形成されていることからむらなく厚盛りすることができるからである。なお、液状樹脂とは樹脂を溶媒に溶解又は分散させた場合や樹脂自体を溶融させた場合の何れのものであっても良い。 Coating with an insulating material is performed by applying a liquid resin to the metal CNT wire, but the coating can usually be performed by a method of immersing the metal CNT wire in the liquid resin. Since the liquid resin shrinks and gas escapes during the solidification process, pinholes are likely to occur in the dry film. Therefore, it is preferable to repeat the coating process multiple times to form multiple layers of the resin film. Further, when repeating the coating process a plurality of times, it is preferable that the concentration of the liquid resin is reduced at first and then increased later. The reason for reducing the concentration at the beginning is to uniformly coat the surface of the metal CNT wire with the resin, and the reason for increasing the concentration later is that the resin layer has already been formed, so that the resin layer can be evenly and thickly deposited. It is from. The liquid resin may be either a resin dissolved or dispersed in a solvent or a resin itself melted.
絶縁被覆金属CNT線については、めっきにより付着した銅が硬銅であるため、焼鈍を行うことで軟銅に変化させることが好ましい。この焼鈍工程をさらに含ませることで電線としてのフレキシブル性が高まり、またCNTと銅との密着性が高まる。焼鈍は還元雰囲気で300~800℃、好ましくは400~500℃の温度で、5~30分置くことにより行うことができる。
しかしながら、700℃を超える温度で焼鈍を行うことは銅の溶体化処理として組織を整える意味があり、また不純物を除去する場合に効果的ではあるが、炭素の損傷を抑えるため、不活性ガス雰囲気にしなければならないことと、軟銅構造組織にするだけであれば、前述の500℃までの処理であれば、特別な装置や雰囲気は不要となるので、400~500℃での処理が好ましい。
Regarding the insulation-coated metal CNT wire, since the copper adhered by plating is hard copper, it is preferable to change it to annealed copper by annealing. By further including this annealing process, the flexibility as an electric wire is enhanced, and the adhesion between CNT and copper is enhanced. Annealing can be performed in a reducing atmosphere at a temperature of 300 to 800° C., preferably 400 to 500° C., for 5 to 30 minutes.
However, annealing at a temperature exceeding 700° C. has the meaning of adjusting the structure as a copper solution treatment, and is effective in removing impurities, but in order to suppress carbon damage, an inert gas atmosphere is used. In addition, if only the annealed copper structure is obtained, the above-mentioned treatment up to 500° C. does not require a special device or atmosphere, so treatment at 400 to 500° C. is preferable.
こうした絶縁被覆金属CNT線は、周波数変動による抵抗値の変動が少ないことからリッツ線に用いることができ、焼付線等の各種ワイヤー、コイルとして用いることができる。 Such an insulation-coated metal CNT wire can be used as a litz wire because its resistance value fluctuates less due to frequency fluctuations, and can be used as various wires such as baked wires and coils.
上記実施形態は本発明の一例であり、こうした形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に反しない限度において、公知の方法の採用、公知組成物の添加等を行い得るものである。 The above embodiment is an example of the present invention, and is not limited to such a form, and can adopt a known method, add a known composition, etc. as long as it does not contradict the spirit of the present invention.
以下実験例に基づいて本発明を更に説明する。
<金属CNT線の製造>:
The present invention will be further described based on experimental examples below.
<Production of metal CNT wire>:
実験例1(試料1;図3~図6):
0.85mol/dm3のCuSO4・5H2Oと、0.55mol/dm3のH2SO4から成るめっき浴を基本浴として、これにポリエチレングリコール(分子量2000)を100ppm、HClを50ppm、(bis(3-sulfopropyl)disulfide)を2ppm、Janus Green Bを2ppm添加しためっき浴を用いてCNTヤーンA(個々の多層CNTの平均直径が10nm、平均長さが100μmであり、それらを束ねてなるCNTヤーンの直径が40μmである単線からなるCNTヤーン、真比重1.9g/cm3、TPR社製)に電気めっきを行った。
Experimental Example 1 (Sample 1; FIGS. 3 to 6):
A plating bath consisting of 0.85 mol/dm 3 of CuSO 4 .5H 2 O and 0.55 mol/dm 3 of H 2 SO 4 was used as the basic bath, and 100 ppm of polyethylene glycol (molecular weight 2000), 50 ppm of HCl, Using a plating bath containing 2 ppm of (bis(3-sulfopropyl) disulfide and 2 ppm of Janus Green B, CNT yarn A (each multilayer CNT has an average diameter of 10 nm and an average length of 100 μm, Electroplating was performed on a CNT yarn consisting of a single wire having a diameter of 40 μm, a true specific gravity of 1.9 g/cm 3 , manufactured by TPR).
アノードには純銅板を用い、カソードをCNTヤーンAとして、室温エアレーション攪拌下、電流0.377mAで1.282Cの電気めっきを30分間行い、CNTヤーンAの長さ方向に3cm長さのめっきを付着させた。得られた金属CNTヤーンAを試料1とした。めっき処理前後のCNTヤーンAの表面および断面を電子顕微鏡で観察した。得られた顕微鏡写真のうち、めっき前の表面と断面の状態写真をそれぞれ図3と図4に示し、めっき後の表面と断面の状態写真をそれぞれ図5と図6に示した。 A pure copper plate is used as the anode, and CNT yarn A is used as the cathode. Electroplating is performed at 1.282 C at a current of 0.377 mA for 30 minutes under room temperature aeration stirring, and the CNT yarn A is plated in a length of 3 cm in the longitudinal direction. attached. The obtained metal CNT yarn A was used as sample 1. The surface and cross section of CNT yarn A before and after the plating treatment were observed with an electron microscope. 3 and 4 show the state of the surface and cross section before plating, and the state of the surface and cross section after plating are shown in FIGS. 5 and 6, respectively.
実験例2(試料2;図7~図8):
実験例1に対する対照として、0.85mol/dm3のCuSO4・5H2Oと0.55mol/dm3のH2SO4から成るめっき浴(基本浴)を用いて実験例1と同様にCNTヤーンAを用い、同様の条件で電気めっきを行った。得られた金属CNTヤーンAを試料2とした。めっき処理後のCNTヤーンAの表面および断面を電子顕微鏡で観察し、得られたSEM像を図7及び図8に示した。
Experimental Example 2 (Sample 2; FIGS. 7 and 8):
As a control for Experimental Example 1, CNTs were obtained in the same manner as in Experimental Example 1 using a plating bath (basic bath) consisting of 0.85 mol/dm 3 CuSO 4 .5H 2 O and 0.55 mol/dm 3 H 2 SO 4 . Yarn A was used and electroplating was performed under the same conditions. The obtained metal CNT yarn A was used as sample 2. The surface and cross section of the CNT yarn A after the plating treatment were observed with an electron microscope, and the obtained SEM images are shown in FIGS. 7 and 8. FIG.
実験例3(試料3):
上記CNTヤーンAに代えて、CNTヤーンB(個々の単層CNTの平均直径が2nm、平均長さが50μmであり、それらを束ねた1本の単線からなるCNTヤーンの直径が40μmであり、このCNTヤーンの3本を撚り線としたCNTヤーン、名城カーボン社製)を用いた以外は実験例1と同様のめっき浴、条件でめっき処理を行った。得られた金属CNTヤーンBを試料3とした。
Experimental Example 3 (Sample 3):
Instead of the above CNT yarn A, CNT yarn B (individual single-walled CNTs have an average diameter of 2 nm and an average length of 50 μm, and a CNT yarn consisting of a single wire that bundles them has a diameter of 40 μm, Plating was performed in the same plating bath and under the same conditions as in Experimental Example 1, except that CNT yarn in which three strands of the CNT yarn were twisted (manufactured by Meijo Carbon Co., Ltd.) was used. The obtained metal CNT yarn B was used as sample 3.
実験例4(試料4、試料5):
電気めっきを行った時間とCNTヤーンAの直径を変える以外は実験例1と同様にしてCNTヤーンAの表面に析出した銅の膜厚が5μmとなる試料4を製造した。また、電気めっきを行った時間とCNTヤーンAの直径を変える以外は実験例2と同様にして、CNTヤーンAの表面に析出した銅の膜厚が5μmとなる試料5を製造した。
Experimental Example 4 (Sample 4, Sample 5):
Sample 4 was produced in the same manner as in Experimental Example 1 except that the electroplating time and the diameter of CNT yarn A were changed so that the film thickness of copper deposited on the surface of CNT yarn A was 5 μm. Further, in the same manner as in Experimental Example 2 except that the electroplating time and the diameter of the CNT yarn A were changed, a sample 5 was produced in which the film thickness of the copper deposited on the surface of the CNT yarn A was 5 μm.
実験例5(試料6):
Janus Green Bを添加しなかった以外は実験例1と同様にしてCNTヤーンAの表面に銅めっきを付着させた試料6を製造した。
Experimental Example 5 (Sample 6):
A sample 6 was produced in which the surface of the CNT yarn A was plated with copper in the same manner as in Experimental Example 1, except that Janus Green B was not added.
実験例6(試料7):
実験例1のめっき浴にさらにトリメチルステアリルアンモニウムクロリドを5×10-4Mを添加して実験例1と同様にしてCNTヤーンAの表面に銅めっきを付着させた試料7を製造した。
Experimental Example 6 (Sample 7):
In the same manner as in Experimental Example 1, 5×10 −4 M of trimethylstearylammonium chloride was further added to the plating bath of Experimental Example 1, and a sample 7 was produced in which the surface of the CNT yarn A was plated with copper.
<金属CNT線の特性>:
銅めっきのCNTヤーン内部への浸透:
上記試料1及び試料2について、それぞれの顕微鏡写真から銅めっきの浸透状態を比較した。図6からわかるように、第1種添加剤と第2種添加剤を加えてめっきした試料1となる金属CNT線では、その表面のみならず内部にまで銅が析出した。一方、図8でわかるように、第1種添加剤と第2種添加剤を加えずにめっきした試料2となる金属CNT線では、銅はCNTヤーンAの表面のみに析出しただけで、CNTヤーンAの内部にまでは銅が析出しなかった。
<Characteristics of metal CNT wire>:
Penetration of copper plating into CNT yarn:
Regarding Samples 1 and 2, the permeation state of the copper plating was compared from each micrograph. As can be seen from FIG. 6 , in the metal CNT wire as sample 1 plated with the first additive and the second additive, copper was deposited not only on the surface but also inside. On the other hand, as can be seen in FIG. 8, in the metal CNT wire as sample 2 plated without adding the first additive and the second additive, copper was deposited only on the surface of the CNT yarn A, and the CNT Copper was not deposited inside the yarn A.
また、めっき浴を変更し、第1種添加剤の浸透剤と阻害剤のうち、阻害剤としてのJanus Green Bを加えずにめっきした試料6もCNTヤーンAの内部にまで銅めっきは浸透したが、試料1ほどには浸透しなかった。
そしてまた、めっき浴を変更してさらに緩和剤を加えた試料7も試料1と同程度にCNTヤーンAの内部にまで銅めっきが浸透した。
さらにまた、実験例3でCNTヤーンBにめっきした試料3では銅はCNTヤーンBの表面のみに析出しただけで、CNTヤーンBの内部にまでは銅が析出しなかった。
In addition, the plating bath was changed, and the copper plating penetrated into the inside of the CNT yarn A in sample 6, which was plated without adding Janus Green B as an inhibitor out of the penetrant and inhibitor of the first class additive. However, it did not penetrate as well as Sample 1.
In addition, in sample 7, in which the plating bath was changed and a relaxation agent was further added, the copper plating penetrated into the inside of the CNT yarn A to the same extent as in sample 1.
Furthermore, in Sample 3 in which the CNT yarn B was plated in Experimental Example 3, copper was deposited only on the surface of the CNT yarn B, and copper was not deposited inside the CNT yarn B.
めっき後のCNTヤーン表面状態:
上記試料1及び試料2について、それぞれの顕微鏡写真から外形を比較した。
図4及び図5を比較すると、第1種添加剤と第2種添加剤を加えてめっきした試料1では、その表面が緻密であり細かな凹凸があるように見える一方で、第1種添加剤も第2種添加剤も加えずにめっきした試料2では、その表面に大きな鱗片状又は塊状のめっき粒子が付着しており、大きな凹凸があるように見える。
CNT yarn surface condition after plating:
The external shapes of Samples 1 and 2 were compared from their micrographs.
Comparing FIGS. 4 and 5, it can be seen that the surface of sample 1, which was plated with the first and second additives, is dense and appears to have fine irregularities, while the surface with the first additive appears to be fine. Sample 2, which was plated without adding any agent or second-class additive, had large scaly or massive plated particles attached to the surface, and appeared to have large unevenness.
ラマンスペクトル:
実験に用いた原料となるCNTヤーンについてラマン分光法によりG/D比を求めた。その結果、上記CNTヤーンA(TPR社製)のG/D比は0.8~1.2であった。
Raman spectrum:
The G/D ratio of the raw material CNT yarn used in the experiment was obtained by Raman spectroscopy. As a result, the G/D ratio of the CNT yarn A (manufactured by TPR) was 0.8 to 1.2.
抵抗値の測定:
上記試料4及び試料5について、24℃、50%RHの環境下で、周波数を0.012Hz、1Hz、5Hz、10Hz、20Hz、50Hz、100Hz、200Hzにそれぞれ変化させたときの抵抗値をデジタル・マルチメータを用いて測定した。得られた結果を次の表1で示す。
Resistance measurement:
Regarding the above samples 4 and 5, under an environment of 24° C. and 50% RH, the resistance values were digitally measured when the frequencies were changed to 0.012 Hz, 1 Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 50 Hz, 100 Hz, and 200 Hz. Measured using a multimeter. The results obtained are shown in Table 1 below.
表1で示すように、試料4と試料5の金属CNT線を比較すると、双方ともめっき厚は5μmと同じであるのにその電気抵抗値は大きく異なり、第1種添加剤と第2種添加剤を加えてめっきした試料4が、これらの添加剤を加えずにめっきした試料5よりも抵抗値が大幅に低下することがわかった。
また、試料4と試料5の何れも周波数差による抵抗値変化の影響は少なく、金属CNT線の抵抗値は、ほとんど周波数に依存しないことがわかった。
As shown in Table 1, when comparing the metal CNT wires of Samples 4 and 5, both have the same plating thickness of 5 μm, but their electrical resistance values are significantly different. It was found that sample 4, plated with the additives, had a significantly lower resistance value than sample 5, which was plated without these additives.
Moreover, it was found that both the samples 4 and 5 were less affected by the change in resistance value due to the frequency difference, and the resistance value of the metal CNT wire was almost independent of the frequency.
10 金属CNT線
11 CNTヤーン
12 銅めっき
13 CNT
R 領域
10
R area
Claims (10)
前記CNTヤーンとして多層CNTを束ねた単線を用い、前記CNTヤーンの表面に銅めっきが析出することを抑制する第1種添加剤と、前記CNTヤーンの内部に銅めっきが析出することを促進する第2種添加剤とを含有するめっき浴に前記CNTヤーンを浸漬してめっきを行う金属CNT線の製造方法。 A method for producing a metal CNT wire in which the surface of the CNT yarn is coated with copper plating and the copper plating penetrates into the inside of the CNT yarn,
A single wire in which multi-layered CNTs are bundled is used as the CNT yarn, and a first additive that suppresses the deposition of copper plating on the surface of the CNT yarn and promotes the deposition of copper plating inside the CNT yarn. A method for producing a metal CNT wire, in which the CNT yarn is immersed in a plating bath containing a second additive and plating is performed.
7QC>QP>1.78QC・・・式(1)
で表される請求項1~請求項5何れか1項記載の金属CNT線の製造方法。 When the film thickness of the copper plating attached to the surface of the CNT yarn is R/15 to R/3 with respect to the diameter R of the CNT yarn, and the true specific gravity of the CNT yarn is QC, the metal CNT The true specific gravity QP of the wire is the following formula (1)
7QC>QP>1.78QC Expression (1)
The method for producing a metal CNT wire according to any one of claims 1 to 5, represented by
前記金属CNT線に付着した前記銅めっきを前記CNTヤーン及び前記絶縁材に密着させる工程と、を実行する絶縁被覆金属CNT線の製造方法。 a step of covering the metal CNT wire produced by the method for producing a metal CNT wire according to any one of claims 1 to 9 with an insulating material made of resin;
a step of adhering the copper plating adhered to the metal CNT wire to the CNT yarn and the insulating material.
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